一種小型化PCB式電器盒的設(shè)計應(yīng)用

賈鋒濤，王大麗，鄭阿東，程 琳，樊 瑞

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006）

隨著汽車智能化的發(fā)展，汽車上的電器功能愈加豐富，車上用電設(shè)備越來越多，作為整車電源分配樞紐的電器盒的總功率越來越大，同時電器盒上的熔斷絲和繼電器也越來越多。受整車空間及布置的限制，電器盒尺寸難以加大，故要求電器盒進行小型化設(shè)計。

電器盒一般分為直插式、匯流條式、印刷電路板（PCB）式，其中PCB式電器盒通過線路板的印刷電路替代了電器盒中的連接線束，且可以將繼電器等器件焊在電路板上，故PCB式電器盒相比其它類型電器盒的體積相對最小。另外，PCB式電器盒易于進行自動化生產(chǎn)，維修更換簡單，且可以通過在PCB板上增加MCU芯片、MOS芯片替代機械繼電器等拓展，實現(xiàn)智能化電器盒。隨著汽車智能化的發(fā)展，小型化的PCB式電器盒成為重要的設(shè)計方向。

1 電器盒小型化設(shè)計途徑

1.1 PCB式電器盒構(gòu)成

通過分解電器盒，對構(gòu)成電器盒的每一個子零件分析小型化的設(shè)計方式，進而實現(xiàn)整個電器盒的小型化設(shè)計。

如圖1所示，PCB式電器盒由電器盒上蓋塑殼、本體塑殼、PCB板、電回路電阻二極管、PCB板焊接端子、導(dǎo)流匯流條、各種熔斷絲、各種繼電器、螺栓螺母等元器件組成。

圖1 電器盒構(gòu)成

1.2 電器盒子件小型化

對電器盒的子件進行小型化設(shè)計分析。

1）電器盒塑殼：將電器盒本體設(shè)計為L型，將螺栓式熔斷絲布置于電器盒側(cè)面，減小電器盒投影面積。避免在電器盒殼體周邊設(shè)計凸起或異形結(jié)構(gòu)，以方便平臺化電器盒在不同布置環(huán)境的應(yīng)用。

2）PCB板：PCB板可以設(shè)計為單板2層或單板4層，提高單位面積的回路數(shù)量。也可以將PCB板設(shè)計為多板組合、立體拼接的形式。

3）電阻二極管：將電阻二極管由插裝焊接改為貼片焊接，減小電子器件占PCB板的空間。優(yōu)先選用集成式的元器件，減少在元器件外圍設(shè)計電路，例如選擇繼電器時，選擇繼電器內(nèi)部已給線圈并聯(lián)有電阻的型號，避免在電器盒PCB板上再給線圈設(shè)計并聯(lián)電阻回路。

4）端子：在滿足承載電流的前提下，使用小型化端子，例如泰科電子新型音叉端子，比上一代音叉端子高度減少20%，寬度減少16%，可使PCB板上的端子排列更緊湊。

5）熔斷絲：近幾年力特等熔斷絲廠家開發(fā)出了體積更小的MCASE+（Slotted Mcase）fuse型盒式開槽慢熔熔斷絲，相比上一代的JCASE型盒式熔斷絲投影面積減小50%，且使用銅排與此種熔斷絲輸入端連接，安裝更緊湊，且散熱更好。盒式慢熔熔斷絲對比如圖2所示。

圖2 盒式慢熔熔斷絲對比

6）繼電器：繼電器在電器盒占了很大的空間，尤其是插拔式繼電器，不僅投影面積大，占空間，由于其和電器盒回路端子通過插拔的方式連接，在繼電器的高度方向上，也占用不少空間。繼電器體積的減小，對電器盒小型化的設(shè)計有很大的貢獻。

隨著大電流PCB式繼電器的應(yīng)用，絕大部分的插拔式繼電器都有了對應(yīng)小型化的PCB式繼電器替代型號。相近電流規(guī)格替代插拔式繼電器的PCB式繼電器體積更小、質(zhì)量更輕、功耗更低。以廈門宏發(fā)PCB式繼電器為例，同插拔式繼電器的對比情況見表1。

表1 插拔式與PCB式繼電器質(zhì)量體積參數(shù)

PCB式繼電器不僅體積小，還可以節(jié)省電器盒PCB板連接繼電器的端子。插拔式繼電器與PCB式繼電器在電器盒PCB板的連接對比如圖3所示。另外PCB式繼電器的雙胞繼電器會比兩個插拔式繼電器組合占空間更小。

圖3 插拔式與PCB式繼電器連接方式對比

2 小型化電器盒設(shè)計方案

2.1 電器盒外形

按照前面所述電器盒子件的小型化方式，結(jié)合電器盒結(jié)構(gòu)的調(diào)整，設(shè)計出小型化PCB式電器盒，如圖4所示。新設(shè)計的小型化電器盒相比奇瑞上一代同功能的PCB式電器盒投影面積減小23%，外形尺寸減小數(shù)值見表2。

圖4 小型化PCB式電器盒

表2 小型化電器盒尺寸減小數(shù)據(jù)

2.2 電器盒元件選型排布

此小型化電器盒設(shè)計中，根據(jù)平臺車型功能需求，熔斷絲共有59個，其中快熔MINI fuse 44個，螺栓緊固式慢熔MIDI fuse 6個，新一代小型化的慢熔MCASE+（Slotted Mcase）fuse 9個，MCASE+fuse使用的最大型號為60A容量（負載為綜合動力制動器）。繼電器共有17個，繼電器全為PCB式繼電器，其中HFKA-T有7個，HFK8-T有7個，HFK10-T有3個，繼電器型號可根據(jù)特定車型負載電流特性進行調(diào)整。電器盒與線束連接插件共有9個。

電器盒PCB板采用雙板組合設(shè)計，每個PCB板為兩層。大電流負載在兩塊PCB板上平均分布，同時PCB板回路設(shè)計上使電流輸入端與輸出端距離盡量減短。大功率負載回路元件與小功率負載回路元件、長時負載和短時負載的元件采用差分排布，避免熱量聚集。電器盒元件排布如圖5所示。

圖5 電器盒元件排布

2.3 電器盒緊湊化的結(jié)構(gòu)

此小型化電器盒結(jié)構(gòu)設(shè)計上，多應(yīng)用緊湊化的設(shè)計方案。電器盒設(shè)計為L型，將部分大電流負載的螺栓緊固式MIDI熔斷絲回路設(shè)計于電器盒側(cè)面（圖6），集成了蓄電池正極總?cè)蹟嘟z盒的電源分配功能。電器盒上蓋的開啟卡扣設(shè)計為嵌入式結(jié)構(gòu)，避免電器盒外殼存在突出部分，減小電器盒的寬度，如圖7所示。

圖6 電器盒側(cè)面結(jié)構(gòu)

圖7 電器盒上蓋

在電器盒的快熔熔斷絲回路輸出端，通過快熔MINI熔斷絲針腳直接與電器盒對接插件的線束回路端子連接，直通輸出，如圖8所示。這種相比傳統(tǒng)設(shè)計方案：快熔熔斷絲回路輸出時，先通過熔斷絲針腳連接PCB板的焊接端子，再通過PCB板回路到PCB板的輸出焊接PIN針，最后PCB板的輸出焊接PIN針再和對接插件的線束回路端子連接?？梢怨?jié)省一對端子PCB板焊接端子，節(jié)省PCB板面積，并且可以減短回路，進而降低電器盒的發(fā)熱。需要注意的是，這種通過熔斷絲針腳直通輸出的結(jié)構(gòu)，需在熔斷絲上部設(shè)計限位固定結(jié)構(gòu)，防止插線束插件時將熔斷絲頂出。

圖8 電器盒直通輸出結(jié)構(gòu)圖

3 總結(jié)

隨著汽車上用電設(shè)備越來越多，電器盒上電源分配回路及回路保護和驅(qū)動元件越來越多，勢必要求電器盒進行小型化設(shè)計。電器盒小型化設(shè)計需要電器盒上繼電器、熔斷絲、殼體、端子等每個子件不斷地進行小型化。

本文所述電器盒方案，通過整合各個小型化的子件，使用緊湊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計出了一種體積小、質(zhì)量輕且成本并未增加的小型化PCB式電器盒。此電器盒在開發(fā)過程中，解決了小型化時溫升高、熔斷絲直通輸出時被頂起等問題，最終小型化PCB式電器盒在奇瑞汽車某車型實現(xiàn)了量產(chǎn)應(yīng)用。此小型化PCB式電器盒為后續(xù)電器盒的小型化設(shè)計提供了一個參考。